有机污染物的生物降解研究进展
随着社会的发展,印染、纺织、造纸等工业生产中所产生的工业废水,给环境造成了严重的污染。为解决环境的污染,文章对近些年来国内外利用微生物进行降解有机污染物的研究成果进行综述,并对其发展趋势进行预测。
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随着社会的发展,印染、纺织、造纸等工业生产中所产生的工业废水,石油工业生产中所产生的各种有机污染物,农业上所使用的各种杀虫剂、杀菌剂、除草剂都已给我们的环境造成了严重污染,清除这些有机污染物已成为当今人们一个刻不容缓的任务。微生物作为有机污染物生物降解的一只主力军,已成为人们研究生物降解的主要对象。微生物由于其物种和代谢的多样性,在降解和转化有机污染物方面有着独特的优势,利用它们可以将绝大多数的有机污染物降解转化成无毒物质或矿化成二氧化碳和水。现在人们研究的焦点是微生物的生理、生化和遗传特性,力图对其降解有机物的机理和途径有一个清楚的认识。此外,利用基因工程技术构建具有更强降解能力的工程菌也已成为研究的热点。本文对近些年来国内外利用微生物进行降解有机污染物的研究成果进行综述,并对其发展趋势进行预测。1微生物降解的机理和途径生物降解是微生物(也包括其它生物)对物质(特别是环境污染物)的分解作用,它和传统的分解作用本质上是一致的,但又有其新特征,如共代谢,降解质粒等[1]。污染物的生物降解反应和其它生物反应本质上都是酶促反应,降解过程中,大部分降解酶是由染色体编码的,但其中有些酶,特别是降解难降解化合物的酶类是由质粒控制的,这类质粒被称为降解性质粒[1]。微生物降解有机污染物的过程与自然界有机物的氧化分解过程基本一致,主要包括氧化反应、还原反应、水解反应和聚合反应。另外,共代谢作用也成为研究较多的一种生物降解机制。共代谢是指一些难以降解的化合物在有一些作为主要能源的其它有机物存在时,就可以被部分或全部降解,这一现象称为共代谢。当然,化学结构是决定化合物生物降解性的主要因素,一般一种有机物其结构与自然物质越相似就越易降解,结构差别越大,就越难降解。1.1石油污染物的微生物降解机理和途径石油在勘探、开采、运输及储存过程中会造成海洋、土壤及水体的污染。石油污染的主要污染物是各种烃类化合物——烷烃、环烷烃和芳烃等[2,3]。石油的生物降解主要是烃氧化细菌和真菌对其进行的氧化作用。在有氧环境中,当其它环境条件也适宜时,烃氧化微生物能在石油油膜内和油花上快速生长,最终将石油氧化成二氧化碳。具体地说,对于苯和烷基苯类的芳香烃,在好氧条件下,单加氧酶和双加氧酶的作用使苯环羟基化,并进一步使环开裂。对于真菌来说是通过单加氧酶使其氧化,对于细菌来说通常是通过双加氧酶使其氧化。脂肪烃的降解机理和途径主要有两种。第一种是末端氧化,通过末端甲基支链氧化是最普遍的正烷烃降解途径对细菌、真菌、酵母和细胞外体系的一些研究表明,烷烃首先在C1位置氧化形成一级醇,然后生成同系的脂肪酸。正烷烃氧化相应于醇的存在方式有三种机理,其中研究最多的是ω—甲基基团羟基化的机理,该途径包括单加氧酶催化的分子氧直接结合反应。第二种是次末端氧化,虽然烷烃降解主要通过末端氧化发生,仍然有许多微生物通过次末端氧化代谢烷烃生成二级醇及相应的酮,然后进一步羧化成脂肪酸。这表明对以烷烃作为唯一碳源和能源的细菌而言,次末端氧化可能是一种次要途径,而对共氧化代谢烷烃的微生物来说次末端氧化途径可能是主要途径。对于环状化合物和多环芳烃来说,其降解途径主要有:Ⅰ.在单一氧化酶的催化下氧化有机质。Ⅱ.二羟基化,即有机物降解开始时接受两个氧原子形成两个羟基。Ⅲ.在酶的催化下水中的氧原子作为羟基进入基质。Ⅳ.在苯环裂解时必需双氧化酶催化,使苯核带有两个羟基的取代物。Ⅴ.对于带内酯的苯环裂解的代谢顺序是先形成内酯,然后水解内酯而达到苯环裂解。另外,烃类化合物在厌氧条件下的微生物降解也在成为人们研究较多的内容。1.2工业废水的微生物处理原理工业废水中常含有许多有机物质,如果不经过处理会给环境造成严重污染,生物法目前在含有机物工业废水的处理中担任主要角色[4]。生物法依据处理中氧的有无可分好氧生物处理和厌氧生物处理。1.2.1好氧生物处理好氧生物处理简单地说就是固体和胶体态的有机物附着于微生物体外,由微生物分泌的胞外酶分解为溶解性物质随后渗入细胞。然后微生物通过自身的生命活动——氧化、还原、合成等过程,把一部分有机物氧化成简单的无机物,把另一部分有机物转化为生长营养物质,供其生长繁殖。1.2.2厌氧生物处理在厌氧处理过程中,废水中的有机物经过大量微生物的共同作用,最终转化为甲烷、二氧化碳、水、硫化氢和氨。1.3微生物降解农药的机理和途径农药中除少部分为无机化合物外,绝大多数为有机化合物,其中包括元素有机化合物(如有机磷、有机砷、有机硅、有机氯),金属有机化合物(如有机汞、有机锡)以及一般有机化合物(如卤代烃、醛、酮、酸、酯、酰胺、脲、腈、杂环)等等,多种多样,同时农药的生物降解受到环境条件和微生物种类的影响,因此难以预见每种农药的生物降解途径,只能总结出一些大概的反应过程,主要有氧化、还原、水解等几种类型的反应[5]。
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